[发明专利]一种双层双端固支梁的力学参数测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种双端固支梁的力学参数测量方法，尤其涉及一种双层双端固支梁的力学参数测量方法及装置，属于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)材料参数在线测试技术领域。

背景技术

随着MEMS工艺的发展和完善，用表面微机械加工技术和硅加工工艺，已经做出了多种微型机械构件，如微悬臂梁、微桥等。这些微型机械构件，由于尺寸较小，在宏观上往往被看作薄膜结构，其力学行为与宏观的大块机械材料之间有相当大的差异，不能用我们所熟知的宏观机械材料的机械参数来衡量薄膜材料的力学性能。薄膜材料的力学性能与具有相同化学成分的大体积材料的力学性能有较大的差异，各种传统的力学性能测试技术与设备也不能直接用于薄膜材料的测试，所以在表面微机械结构的加工过程中薄膜材料力学参数(例如，残余应力、杨氏模量、疲劳强度、断裂强度、泊松比)的控制就变得尤其重要，在MEMS领域，薄膜力学性能的研究和测试正在成为一个新的研究热点，引起了微电子学、力学、物理、材料等领域研究者的兴趣。

目前一些MEMS器件在实际制作时，产品的一致性目前无法保障。由于构成MEMS器件的材料对器件的结构与性能有很大的影响，因此材料参数的测试对MEMS来说是举足轻重的。很多材料，尤其是晶体材料在形成薄膜、细梁等结构时，同样的工艺，在不同生产环境表现出明显不同的热学参数，用不同方法制成同一种形态，其性质也是不一样，会表现出明显不同的力学参数，如密度、杨式模量、残余应力等。如果以上力学参数已知的话，则传感器、执行器部分的一些静态或动响应，就可以由已测得的其它参数估计出来。所以，在线监测薄膜结构的力学参数对于MEMS器件具有非常重要的意义。

尤其重要的是，构成这类MEMS器件核心部分的梁(或桥)的力学、热学、电学参数与工艺条件密切相关。薄膜力学、热学、电学参数强烈依赖于几种参数，包括膜厚、膜及底材的温度、薄膜的沉积温度和方法等。薄膜淀积时，往往会形成各种各样的缺陷，相对不同的淀积方法，缺陷的密度和微结构不一样。这些在不同测量和膜沉积方法下得到的测量结果彼此相差很大。因此，采用合适的测试方法及测试结构不仅可以检测出所需的物理参数供设计者使用，同时测试结构还可用来监控工艺。对于在线监测的要求，必须在测试环境下简单可行，重复性好，测试结构设计简单，便于数据获得和整理，并且占用芯片面积小，并且没有破坏性。

作为一种十分重要的MEMS结构单元，双层双端固支梁的力学参数在线测量技术越来越得到重视。有研究者提出静电吸合法进行双层双端固支梁的等效杨氏模量测量，该方法基于上下层等宽的双层双端固支梁吸合电压解析模型，利用一组等宽测试结构的吸合(Pull-in)电压通过数值计算获得双层双端固支梁各层的等效杨氏模量。然而，在实际的生产加工过程中，很难保证双层双端固支梁上下层等宽，而上下层不等宽双层双端固支梁的测量数据并不符合上下层等宽的双层双端固支梁吸合电压解析模型设定条件，必然带来较大的测试误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，基于推导出的上下层不等宽双层双端固支梁的吸合电压解析模型，利用一组上下层不等宽双层双端固支梁的吸合电压进行数值计算，来更精确地获得双层双端固支梁各层的等效杨氏模量和/或各层的等效残余应力。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种双层双端固支梁的力学参数测量方法，首先使用相同的制备工艺制备一组至少4个上下两层不等宽的双层双端固支梁的测试结构，各测试结构除几何尺寸外的其他材料参数均相同，以每个测试结构的各层宽度及长度所组成的向量作为该测试结构的尺寸向量，则这一组测试结构的尺寸向量组线性无关；然后测量出其中至少4个测试结构的吸合电压并分别代入不等宽双层双端固支梁的吸合电压解析式中，从而得到由至少4个非线性方程构成的方程组；最后对所述方程组求解，得到所述双层双端固支梁各层的等效杨氏模量和/或各层的等效残余应力；其中，所述不等宽双层双端固支梁的吸合电压V_PI解析式具体如下：

其中，